基于高速公路自能源的LED交通標志

康尹 魏炯超 姜楊 陳曉斌 周雨萌

摘要??? 通過能量轉換器將高速公路中車輛行駛過程中的風能、聲能、振動能、光能中的一種或幾種轉換成電能，利用所生產的電能智能控制LED交通標志發光，在低能見度情況下以遠優于普通反光膜標志的視認性能實現遠距離道路識別，本文針對此相關問題進行了分析。

【關鍵詞】高速公路 自能源 LED交通標志

高速公路自能源，即一種具有強耦合性、互補性、開放性，能夠實現智能控制，將高速公路中不同種類能源轉換成自己所需能源，集生產與消費于一身的自治能源主體。基于高速公路自能源的LED交通標志主要設置在超速道外側，它包括道路自能源轉換器、電能儲存器、智能控制模塊、LED光組。伴隨社會經濟的不斷發展，高速公路里程會不斷發展，同時在多樣復雜的路況條件下，如何確保行車安全是道路交通行業發展需要關注的首要問題。設計和應用自能源的LED交通標志對于保證道路交通安全具有現實意義。

1 高速公路交通標志應用現狀

高速公路通過技術手段預防由于道路狀況、道路環境、道路線形、氣候等客觀因素造成的交通事故，在路邊設置反光膜標志是常用方法，以黃光反光膜標志為主。而根據相關部門的實地調研及數據調查統計，在彎道、上下坡度大的坡道等地形復雜路段，司機視野會不斷變化，雨霧天氣、夜間能見度低以及隧道等不良道路通行條件下，道路反光膜標志的視認性能會顯著降低，甚至不能被識別，極易引發交通事故。在夜晚、隧道內部、包括雨霧天氣等光線暗的環境中設置更為有效的道路標識，讓駕駛員更容易正確判斷行車方向和障礙物，可以極大地減少事故，增加交通安全性。

2 高速公路自能源的LED交通標志設計與應用

2.1 LED交通標志的設計原理

以聲控開關作為車輛目標檢測器，利用車輛行駛過程中較大的噪聲（車輛行駛過某點，聲音大概為70分貝，具體數值因具體車輛和車速以及距離而定），設置出發聲音傳感器的閾值，若聲音傳感器被觸發則說明將有車輛即將通行，輸送信號給MCU以點亮該LED光組。與此同時，該LED標志燈樁內的智能控制模塊通過無線模塊發送編序為0的信息，幾乎瞬時的告知下一LED標志燈樁有車即將來臨。下一LED標志燈樁則點亮自身的LED光組。以此類推，因此可通過算法改進的方式，控制當有車來臨時，同時點亮了從第1個到第N個LED標志，即控制0到L（實例優選為L=300m）的路段當車經過上一個LED標志燈樁后，聲音傳感器到N個的電平信號會逐漸減少，上一個LED燈樁熄滅自己的LED光組的同時會發送編序為1的信息，告知車已經經過該點，此第N+1個LED標志燈，以保證始終有距離車為L的范圍內所有的LED標志燈都點亮。

2.2 能量轉換器的設計與應用

能量轉換器是LED交通標志應用的關鍵。通過能量轉換器將道路上汽車行駛時產生的風能、噪聲能、振動能以及燈光能中的一種或多種能源，轉換為電能儲存到電能儲存器中。本設計主要以風能轉換為主，汽車在行車道帶來的風使得風葉片轉動，帶動發電機產生交流電，再經過整流器使得交流變成直流，最后將電傳輸給儲電系統，在儲電的同時又通過放電直接將直流電提供給負載。

2.3 電能儲存器的設計與應用

鋰離子儲電系統包括鋰離子電池和電池保護電路以及穩壓電路。能量轉換器轉換得的交流電，通過整流器流出的直流進入鋰離子儲電系統內。

首先穩壓電路將電壓降到一定的數值，然后給鋰離子電池充電，當電池充滿后，電池保護電路自動斷開充電，將多余的電通過電線傳到地下。在負載需要用電時，電能儲存器可以及時的給負載提供電能。

2.4 其他傳感器與場景的應用

根據自身傳感器的性質，亮燈的方式有以下針對各類有需求的場景性進行識別和優化：

2.4.1 夜間啟動

LED交通標志內的智能控制模塊中使用DS1302時鐘芯片，DS1302為涓流供電，功耗極低。利用時鐘芯片的輸出信號，MCU可以計算出當前的具體時間（年、月、日、時、分、秒）。為此可以做到每個季節的夜間能開啟該系統，而天明之后開始關閉。

2.4.2 白天的陰暗天氣

智能控制模塊采用接近人眼分光的GY30光強傳感器，利用GY30接近人眼分光的特性，可較為準確的得出對人而言此時的光照能見度情況，設置閾值，針對實時天氣的光照變化，并將信息發送給控制核心—MCU，再由MCU輸出控制信息。可在陰暗天氣（陰暗天氣的可能受霧霾、雨霧的影響）情況下開啟系統，在能見度低下時，能夠通知MCU開啟LED標志。在不同能見度低下的情況下，還可通過光強傳感器輸出的具體信號，以MCU輸出PWM的形式控制標志燈的亮度，而在天氣可見光充分良好的情況下又能關閉。

2.4.3 雨霧天氣使用溫濕度傳感器

DHT11，使系統在能見度低的天氣下，喚醒系統工作。我們都知道雨天或者大霧天氣環境的濕度會上升，在大量實驗數據進行檢測的基礎上通過對DHT11調整好閾值。當超過或者等于該濕度閾值時，識別天氣為雨霧天氣，喚醒該系統進行工作，保證道路的安全性。

3 結語

利用高速公路自能源驅動LED交通標志，整個系統采用自能源，系統能源自給自足，不需要另外布線，降低布線成本和人力成本。不需要電網和受限于日照和安裝場地的太陽能供電，小電源各自獨立，可以避免規模集中供電情況下發生交通事故時由于觸電引發二次事故，在高速公路領域具有可行性與適用性。

參考文獻

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